Энергию топлива в электрическую энергию преобразуют: Преобразование тепловой энергии в электрическую с высоким КПД: способы и оборудование

Гибридные топливные элементы — Энергознание на портале Энерговектор

Мы уже рассказывали читателям о топливных элементах (ТЭ, см. «Энерговектор»,
№ 12/2012 и № 1/2013). Тогда речь шла о «чистом» преобразовании химической энергии
в электрическую, происходящем без совершения механической работы. Но в
последнее время всё большую популярность набирает идея создания гибридных установок,
оснащённых кроме электрохимического ещё и механическим генератором (для краткости
их называют гибридными ТЭ). В такой связке электрический КПД легко может достигать
60% и выше.

Немного ликбеза

Напомним читателям, что
топливный элемент, или электрохимический генератор, — это устройство, которое
преобразует химическую энергию топлива в электрическую в процессе
электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий
генерации, предусматривающих сжигание твёрдого, жидкого или газообразного
топлива. Топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею — с той
разницей, что батарея расходует запасённую в ней энергию, а ТЭ постоянно
подпитывается топливом извне.

В качестве топлива для ТЭ
может использоваться не только чистый водород, но и различное водородсодержащее
сырьё, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В этих случаях водород
возникает при каталитическом риформинге этого сырья. Для работы топливного
элемента также нужен кислород, источником которого служит воздух. При
соединении чистого водорода с кислородом образуется только вода (водяной пар).
При этом в атмосферу не выбрасываются никакие загрязняющие газы. Если же в
качестве топлива используется, скажем, природный газ (метан), в реакции будут образовываться
и другие газы, в частности, оксиды углерода и азота, однако в значительно
меньшем объёме, чем при сжигании такого же количества метана. Отметим, что в
любом ТЭ часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.

Тестовая система компании Toyota

В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом используемого электролита. Наибольшее распространение получили четыре варианта: ТЭ с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC), ТЭ на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC), ТЭ на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) и твердооксидные ТЭ (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Элементы ТЭ первых двух типов характеризуются относительно низкими рабочими температурами (60-200 °C), третьего и четвёртого — высокими (до 1000 °C).

Самые горячие

Для гибридных энергоустановок лучше всего подходят
высокотемпературные ТЭ (MCFC и SOFC). В зависимости от принятой
концепции либо выделяемое ТЭ тепло используется для выработки дополнительной
энергии с помощью газовой турбины, либо сбросное тепло газовой турбины — для
предварительного нагрева реагентов ТЭ или риформинга топлива.

Наиболее перспективными для создания гибридных систем
представляются твердооксидные ТЭ, построенные из керамических материалов
(оксидов металлов) и металлов. Твердотельная конструкция обеспечивает
повышенные надёжность и долговечность благодаря меньшей коррозионной активности
электролита и отсутствию проблем с его испарением и циркуляцией.

Обычно в SOFC анод изготавливается из
оксида никеля-циркония (Ni-ZrO₂), а катод — из легированного
стронцием манганита лантана (Sr-LaMnO₃). SOFC работает при высоких
температурах (до 1000 °C),
обеспечивая большее разнообразие видов используемого топлива и высокую
производительность гибридной установки. Электрический КПД «чистого» SOFC,
работающего на природном газе, может достигать 50%, а общий (при когенерации с
использованием выделяемого тепла) — 85%. Отметим также, что большинство ТЭ
других типов подвержены «отравлению» угарным газом (CO), а SOFC может использовать его в
качестве топлива. Кроме того, ячейки SOFC способны работать на
водороде, природном газе, пропане, биогазе, дизельном топливе, авиационном
керосине и т. д.

Из высокой рабочей температуры SOFC вытекают как
их преимущества, так и недостатки. В числе преимуществ — возможность риформинга
углеводородного топлива с его превращением в смесь водорода и монооксида
углерода (угарного газа), применяемую в качестве топлива для ТЭ. Кроме того,
обеспечивается эффективная когенерация и/или интеграция с тепловым двигателем.
К недостаткам же можно отнести необходимость хорошей теплоизоляции ТЭ и применения
более дорогих конструкционных материалов.

При работе на углеводородном топливе (например,
природном газе) SOFC обеспечивают более высокий электрический КПД, чем
более низкотемпературные ТЭ. При дополнении SOFC тепловой машиной эффективность
становится ещё выше. В гибридной установке, объединяющей SOFC с газовой
турбиной, можно достичь значений электрической эффективности 75-80%,
недостижимых для ТЭ других видов.

Твердооксидные ТЭ по
конструкции могут быть цилиндрическими, планарными и монолитными. Ближе всего
коммерческой реализации цилиндрические SOFC — их уже выпускают такие
компании, как Siemens Power Corp., Mitsubishi Heavy Industries, Acumentrics и др. Свыше сотни предприятий
по всему миру занимаются разработкой и производством SOFC. Большая часть из них находится
в США, Европе и Японии.

Есть варианты

Возвращаясь к истории вопроса,
отметим, что идея «гибридизации» ТЭ и газовой турбины впервые возникла в
середине 1970-х годов. К 1998
г. было запатентовано более 10 концепций гибридных
установок, различающихся типом ТЭ, взаимным расположением компонентов системы и
рабочим давлением.

В базовой концепции ТЭ заменяет камеру сгорания цикла
Брайтона/Джоуля, описывающего рабочие процессы газотурбинного двигателя
внутреннего сгорания. Но вместо классического преобразования в камере сгорания химической
энергии топлива в тепло здесь происходит прямое её преобразование в
электроэнергию, а образующееся в процессе этого преобразования тепло
используется для вращения турбогенератора, вырабатывающего дополнительно
примерно 20% общей электрической мощности установки. При этом по сравнению с
«чистым» турбогенератором значительно уменьшаются выбросы вредных веществ и
увеличивается общий КПД.

В так называемом надстроечном цикле ТЭ газовая турбина размещается после топливного элемента, а последний служит
в качестве камеры сгорания турбогенератора. Турбина использует сбросное тепло
ТЭ для сжатия горючей смеси и выработки дополнительной электроэнергии.

В утилизационном цикле ТЭ располагается после газовой турбины, используя её выхлоп в качестве
источника горячего воздуха. При этом ТЭ остаётся первичным генератором
электроэнергии. Цикл этого типа особенно хорошо подходит для топливных
элементов MCFC, которым необходимо присутствие в потоке окислителя
углекислоты (для создания ионов карбоната). Она поступает из камеры сгорания
турбины.

Многочисленные варианты гибридных циклов
подразделяются на прямые и непрямые. В первом случае потоки
рабочих сред от первых элементов установки напрямую используется последующими её
элементами. ТЭ в прямом цикле обычно работает при повышенном давлении,
создаваемом компрессором, который приводится в движение газовой турбиной. С
этим связаны проблемы, касающиеся функционирования и деградации ТЭ. Однако
прямой гибридный цикл обычно обеспечивает более высокий КПД, чем непрямой.

В непрямом гибридном
цикле используются дополнительные устройства (обычно теплообменники) для
разделения рабочих сред газовой турбины и ТЭ, так что поток от начальных
компонентов не попадает непосредственно в последующие. Тепловая интеграция
цикла достигается с большими потерями, зато ТЭ обычно
работает при атмосферном давлении. При таком подходе проще управлять системой и
меньше проблем для эксплуатации ТЭ, замедляется его деградация, но снижается
общая эффективность, а дополнительные теплообменники увеличивают стоимость
установки.

* * *

В качестве примера современной гибридной установки
можно привести систему Fuel Cell-Combined Cycle (FC-CC), разрабатываемую
компанией GE-Fuel Cells («дочка» GE). Здесь пакет SOFC работает в
паре с газопоршневым электрогенератором Jenbacher. Поступающий в установку
природный газ подвергается риформингу с образованием водорода. Образующееся таким
образом топливо и кислород воздуха питают твердооксидный ТЭ. Выходящий из него горячий
газ поступает в газопоршневой генератор, который вырабатывает дополнительные
электроэнергию и тепло. Общий электрический КПД установки оценивается на уровне
60-65%. С учётом выработки тепла суммарная эффективность должна достигнуть 90%.

начало большого пути / Блог компании Toshiba / Хабр

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba h3One.   

Мобильная электростанция Toshiba h3One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию h3One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер h3One генерирует до 2 м³ водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м³ водорода станции требуется до 2,5 м³ воды.

Пока станция h3One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.   

Сейчас Toshiba h3One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы h3One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

В обход Карно. Как работают топливные элементы и почему за ними будущее

 — Что такое топливные элементы?

— Топливные элементы бывают разного строения, но принцип работы у всех них практически одинаковый: есть два электрода, они разделены мембраной с проводимостью по ионам кислорода или протонам, а на электродах протекают различные электрохимические реакции. Например, на одном электроде топливного элемента в присутствии ионов кислорода окисляется топливо — в результате образуются электроны, уходящие во внешнюю цепь, и продукты окисления — водяной пар и углекислый газ. А на другом электроде электроны из внешней цепи взаимодействуют с кислородом воздуха и образуются ионы кислорода, которые переносятся через мембрану к первому электроду.

—  Это в чем-то похоже на работу аккумулятора?

—  Если только самим принципом работы, основанном на электрохимических реакциях на электродах. В остальном это совершенно разные вещи: аккумуляторы циклически накапливают и отдают электроэнергию, а топливные элементы могут ее постоянно производить — надо только подводить топливо и окислитель, например кислород. При этом в топливных элементах химическая энергия напрямую превращается в электрическую, минуя цикл Карно. Сжигая углеводороды в тепловых двигателях, мы сначала преобразуем их химическую энергию в тепловую, потом тепловую — в механическую, и только потом — механическую в электрическую. На каждом этапе теряется эффективность, и КПД даже самых больших электростанций составляет около 40%. В топливных элементах мы как бы электрохимически сжигаем топливо без дополнительных промежуточных стадий, и в результате их КПД достигает 60%.

—  Какие топливные элементы делают у вас в институте и какой у них КПД?

—  Мы специализируемся на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах. Их мембраны изготовлены из смеси оксидов и проводят не протоны, а кислород. Наш институт с начала 1960-х годов был лидером области не только в Советском Союзе, но и в Европе. В конце 80-х мы сделали первый в Европе киловаттный топливный элемент. Сейчас мы ушли далеко вперед — повысили мощности, пробуем топливные элементы с мембранами на основе протонпроводящих электролитов вместо твердооксидных мембран, а максимальный электрический КПД наших установок — 34—37%. Я говорю «электрический», потому что в системе кроме электричества еще выделяется некоторое количество тепла, которое тоже можно утилизировать и использовать.

—  Почему топливные элементы называются высокотемпературными?

—  Наша мембрана начинает проводить кислород только при температуре выше 600 °C, отсюда и название. Устройство надо сначала разогреть, а потом оно за счет собственного тепла будет поддерживать нужную температуру — такой топливный элемент с «зажиганием».

—  Какое топливо нужно для ваших топливных элементов?

—  В качестве топлива мы обычно используем природный газ, а в качестве окислителя — всегда кислород воздуха. На входе топливного элемента стоит реформер, который может преобразовывать любое углерод-содержащее топливо в синтез-газ — смесь СO и H₂. Поэтому вместо природного газа мы можем использовать и торф, и стружку, и разнообразное биотопливо. Например, мы делали работу совместно с Институтом нефтехимического синтеза, в которой показали, что с помощью наших топливных элементов можно получать электроэнергию из продуктов брожения, из браги.

—  Обычно для таких эффективных и всеядных топливных элементов нужны дорогие материалы.

—  Мы используем широкую гамму материалов, например диоксид циркония, стабилизированный иттрием, из которого делают мембраны. Или платину — это прекрасный материал, устойчивый как в окислительной, так и в восстановительной среде и катализирующий многие электрохимические реакции, а потому идеально подходящий для электродов. Но при переходе от первых лабораторных образцов к опытным образцам мы стараемся заменить соединения, содержащие драгоценные металлы, на другие материалы: вместо платиновых электродов для анода берем никелевый кермет, для катода — манганит лантана стронция.

—  Кто изготавливает ваши топливные элементы?

—  Первые опытные образцы мы делали сами, а сейчас плотно взаимодействуем с Росатомом, а точнее — с Уральским электрохимическим комбинатом. Там есть классные, очень высокой квалификации ребята, с которыми очень удобно работать. Раньше они занимались щелочными топливными элементами, но у этого типа топливных элементов очень высокие требования по чистоте топлива и другие сложности. Теперь мы работаем вместе, что позволяет пускать наши наработки уже в натуру, в производство.

—  Какого размера и мощности образцы у вас уже есть?

—  У нас есть налаженное производство топливных элементов мощностью в 1,5 кВт. Их высота и длина — около метра, а ширина — около 700 миллиметров.

Топливные элементы могут работать на разном биотопливе: жидком (метанол, этанол), газообразном (синтез-газ, водород) и твердом (солома, биомасса или прессованные брикеты стружки, как на фото). Фото: FabrikaSimf / Фотодом / Shutterstock

— Можно ли совместить топливные элементы с современной энергетикой?

—  В этом главная сила топливных элементов — они идеально сочетаются со многими другими устройствами. Например, можно делать тандем из топливного элемента и аккумулятора или суперконденсатора, которые накапливают электроэнергию. Такой тандем будет гибко реагировать на изменение нагрузки: топливный элемент постоянно производит энергию, часть которой идет во внешнюю сеть, а часть — запасается в накопителе, чтобы подстраховать топливный элемент в период пикового потребления. Или можно делать тройную систему из солнечной батареи, топливного элемента и электролизера, способного получать водород и кислород из воды. Здесь уже немного другая история: мы сглаживаем не пики потребления, а пики производства энергии. Когда света много, батарея питает внешнюю цепь, а избыток энергии идет на электролизер, который нарабатывает топливо для топливного элемента. Когда свет уходит — ночью, в пасмурное время, — производить энергию начинает уже топливный элемент. Подобными системами распределенной энергетики интересуются в Министерстве обороны и в ЖКХ: можно не тянуть провода к каждому дому или коттеджу, а использовать газ или тандем солнечных батарей и топливных элементов.

— Насколько это актуально в масштабах нашей страны с экономикой, построенной на углеводородах?

— Очень актуально. Вы забываете про атомную энергетику: атомные электростанции работают на одной мощности и днем и ночью в любое время года. Там значительно сложнее регулировать мощность, чем в тепловых электростанциях. Поэтому система с обратимыми топливными элементами, совмещенными с электролизерами, отлично подходит для атомных электростанций.

— Вы упоминали производство Росатома. У вас уже есть коммерческие контракты в этой области?

— Коммерческих контрактов нет, но заинтересованность уже серьезная. Кроме того, мы работаем с «Газпромом», а точнее — с «Уралтрангазом»: они хотят использовать наши топливные элементы для автономных станций защиты газопроводов от коррозии. Раньше для этих целей параллельно газопроводам пускали линии электропередачи, но теперь понимают, что удобнее и дешевле эти станции запитывать от топливных элементов, расставленных вдоль газопровода.

— Многие говорят про топливные элементы для автомобилей.

— Где-то месяца полтора тому назад мы встречались по этому вопросу с директором КамАЗ, но пока нужно очень серьезно поработать, чтобы изменить дизайн наших элементов и сделать их пригодными для автопрома.

Юрий Зайков. Фотография из личного архива

 — Над какими фундаментальными вопросами, связанными с топливными элементами, вы сейчас работаете?

— Сейчас мы больше всего работаем с протон-проводящими электролитами, призванными заменить твердооксидные мембраны с проводимостью по ионам кислорода: исследуем их физико-химические, электрохимические и механические свойства, изучаем механизмы и причины деградации. Это очень важный вопрос для практики, потому что для потребителя есть огромная разница между устройством, работающим 10 000 часов и 100 000 часов. Мы создали совместную лабораторию Уральского федерального университета и нашего Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (УрФУ и ИВТЭ УрО РАН), научным руководителем которой является греческий ученый Панайотис Циакарас, специалист в области исследования структуры и свойств твердых электролитов.

—  Как вы познакомились с Циакарасом и как организовано взаимодействие с ним?

—  Один из наших сотрудников в начале 2000-х годов работал в совместном проекте с профессором Циакарасом, а потом постепенно личные контакты переросли во взаимодействие лабораторий. Циакараса привлекла наша научная и экспериментальная база, и последние годы мы работали очень плотно. Я бывал у него на семинарах в лаборатории, он приезжал к нам, и сейчас мы обсуждаем, чтобы наши студенты могли проходить практику у него в лаборатории в Фессалийском университете.

—  Как организовано взаимодействие между университетом и институтом в совместной лаборатории?

—  Я одновременно и заведующий кафедры в университете, и директор нашего института, так что такое взаимодействие было поставлено уже давно. Но только раньше оно держалось на моем административном ресурсе, а теперь мое участие уже не нужно, все абсолютно официально. У нас регулярно проходят совместные обсуждения, молодые ребята из университета проходят у нас практику, работают, получают важную информацию из первых рук, а сотрудники института пользуются научной и производственной базой университета — это очень серьезное подспорье.

—  Юрий Павлович, когда эта работа выльется в коммерческий образец, вы возьмете один для себя?

—  Да, конечно. Сейчас мы дошли до мощности в 1,5 кВт, чего в России на твердооксидных топливных элементах никто не делал. Плюс мы вместе с «Уралтрансгазом» показали уже полтора года непрерывной безаварийной работы нашей установки, так что работа движется. И как только будет возможность, я обязательно возьму себе наш топливный элемент для загородного коттеджа. По-моему, это очень удобно.

—  Вы верите, что это будет эффективнее обычной электросети?

—  Да, конечно. Более того, я вообще не представляю современную энергетику без электрохимической. Мы каждый день пользуемся батарейками и аккумуляторами в часах, телефонах, пультах для телевизора. Появляются электромашины, а в перспективе будут и более глобальные решения. Прямое эффективное преобразование химической энергии в электрическую — это невероятно выгодно. И экологично: топливные элементы выделяют во внешнюю среду только водяной пар и углекислый газ, причем в несколько раз меньше, чем используемые в настоящее время дизель-генераторы.

Юрий Зайков, директор ИВТЭ УрО РАН и профессор УрФУ

 Михаил Петров

Выработка электроэнергии электростанцией на природном газе

Природный газ является общим термином, используемым для смеси углеводородов, которые являются результатом разложения растительных и животных материалов в течение миллионов лет.

Энергия природного газа представляет ископаемое топливо и, следовательно, представляет невозобновляемые источники энергии. Она образовалась, когда доисторические останки животных и растений находились под землей и подвергались высоким температурам и давлениям в течение миллионов лет. Эта энергия наряду с нефтью и углем считается ископаемым топливом и, подобно нефти и углю, встречается в подземных резервуарах, расположенных во многих районах мира.

Основные компоненты природного газа представляют углеводороды: метан с формулой CH₄, а также этан с формулой C₂H₆, пропан с формулой C₃H₈, бутан с формулой C₄H₁₀.

Природный газ самый чистый из всех видов ископаемого топлива.

Запасы энергии природного газа, как и другие виды ископаемого топлива, ограничены и поэтому не являются возобновляемым ресурсом. Применение природного газа производит относительно малую долю оксидов азота и углекислого газа по сравнению с нефтью и углем, а также в результатах практически нет твердых частиц или выбросов диоксида серы. Поэтому он становится привлекательным “переходным” топливом по мере того, как энергоснабжение уходит от загрязняющих источников, таких как уголь и ядерные источники в сторону более чистых возобновляемых технологий.

Как генерируется газовая энергия?

Есть два основных типа электростанций, используемых для преобразования энергии природного газа в электричество – открытый цикл и комбинированный цикл. Самое простое: открытый цикл, в котором природный газ горит для создания давления. Давление приводит в действие лопасти газовой турбины, вызывая ее вращение и преобразование тепловой энергии в механическую. Вал соединяет газовую турбину с газотурбинным генератором, поэтому, когда турбина вращается, генератор тоже. Генератор использует электромагнитное поле для преобразования механической энергии в электрическую. Приводя в действие турбину, которая соединена с генератором она заставляет магниты генератора крутиться и создавать электрический ток.

В электростанции комбинированного цикла, тепло, которое образуется от сгорания приводит в действие турбину назначение которой для того чтобы закипятить воду и создать пар, управляя второй турбиной для того, чтобы произвести даже больше электричества. Это позволяет таким электростанциям преобразовывать до 50% энергии, содержащейся в природном газе – намного больше, чем 33% конверсия угольных электростанций.

По этой причине газопоршневые электростанции комбинированного цикла, как правило, используются для обеспечения ежедневной базовой нагрузки, в то время как открытые станции работают во время пикового спроса.

Турбины сгорания основаны на принципе реактивных двигателей. С технологией турбины горит природный газ, создавая перегретый воздух, который после этого закачивается в трубы и используется для того чтобы управлять турбиной.

Энергия природного газа может также использоваться в технологиях топливных элементов, которые опираются на химические реакции для создания электричества при гораздо более высоких уровнях эффективности, чем это может быть получено при сжигании ископаемого топлива.

Каковы экологические проблемы?

Природный газ оказывает значительно меньшее воздействие на окружающую среду, чем уголь. На основе данных сжигание природного газа генерирует примерно вдвое меньше углекислого газа или CO₂, чем уголь, меньше твердых частиц и очень мало двуокиси серы или токсичных выбросов в атмосферу. Однако сжигание природного газа может привести к образованию оксидов азота и окиси углерода в количествах, сопоставимых со сжиганием угля. Продолжающееся использование этих ресурсов неизбежно приводит к выбросам метана, который является мощным парниковым газом, способствующим глобальному изменению климата. Бурение и разведка природного газа может негативно повлиять на среду обитания дикой природы, дикую природу и общее состояние атмосферы. Среди возможных негативных последствий, связанных с этим топливом, можно назвать эрозию, снижение продуктивности почв, увеличение стока, оползни и наводнения.

Если сравнивать природный газ со сжиганием угля, выбросы CO2 значительно ниже, но сжигание природного газа по-прежнему приводит к чистому увеличению выбросов CO2 и, следовательно, может способствовать изменению климата.

В зависимости от типа технологии сжигания и конструкции установки газовая установка может оказать значительное воздействие на водные ресурсы. Турбины сгорания не используют значительных количеств воды, но электростанции комбинированного цикла имеют участок для охлаждения пара который может требовать значительных количеств воды.

Подход компаний к энергии газа

Газовые электростанции как источники электрической энергии улучшают надежность нашего общего энергоснабжения. Когда погодные условия ограничивают возможности непостоянных источников энергии, таких как ветер, для выработки электроэнергии, газовые электростанции могут повысить свою производительность, чтобы восполнить дефицит. Это гарантирует, что всегда есть достаточно электричества, чтобы удовлетворить спрос.

Сжигание газа также выделяет парниковые газы. Технология улавливания и хранения углерода может представлять собой возможное решение, но пока еще не доказана работа в промышленных масштабах. Ожидается, что технология улавливания и хранения углерода также увеличит стоимости строительства газовой электростанции, а также снизит её эффективность.

Вполне вероятно, что в обозримом будущем газовые электростанции будут оставаться частью электроэнергетического комплекса мира, а в долгосрочной перспективе газ может играть заметную роль.

Газовые электростанции могут обеспечить гибкую, надежную электрическую мощность, но цены изменчивы и могут резко возрасти или упасть в ответ на международные события, не зависящие от страны.

Преимущества газовых электростанций

Одним из основных преимуществ использования газа для производства электроэнергии является то, что газовые электростанции имеют чрезвычайно быстрое время запуска, поэтому они часто используются для удовлетворения пиковых потребностей в электроэнергии. Газотурбинная электростанция занимает всего 10-20 минут для достижения максимальной мощности по сравнению с несколькими часами для угольных электростанций и до двух дней для ядерных станций.

Выводы

Энергия природного газа является невероятно универсальным топливом, а также используется как эффективный источник в своем собственном праве для отопления, приготовления пищи и горячей воды, это также средство для производства электроэнергии.

Газовые электростанции преобразуют тепловую энергию от сжигания природного газа в электроэнергию, которую можно использовать в жилых домах и на предприятиях.

При большей эксплуатационной гибкости и более чистом сжигании, чем угольные электростанции, все больше и больше газовых электростанций строятся по всему миру, и сегодня природный газ производит около 15% электроэнергии мира.

Превращение одних видов энергии в другие и их использование — Тары_бары

Энергия (греческое — действие, деятельность) понимается количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую.

Согласно представлениям физической науки, энергия — это способность тела или системы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная). Последние три вида относятся к внутренней форме энергии, т.е. обусловлены потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих тело, или кинетической энергией их беспорядочного движения.

Если энергия — результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.

Если энергия — результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.

Механическая энергия — проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах — транспортных и технологических.

Тепловая энергия — энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия — энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

Химическая энергия — это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.

Магнитная энергия — энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой. Электромагнитнаяэнергия — это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия — это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия — энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Бытует и старое название данного вида энергии — атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

Гравитационная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли — энергия силы тяжести.

Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира – гравитационную; энергию взаимодействия тел – механическую; энергию молекулярных взаимодействий – тепловую; энергию атомных взаимодействий – химическую; энергию излучения – электромагнитную; энергию, заключенную в ядрах атомов — ядерную.

Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят 1 Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен 1 ньютон метр (Нм). Если расчеты связаны с теплотой, биологической и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица — калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал = 4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт·час (Вт·ч,  кВт·ч, МВт·ч), 1 Вт·ч = 3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м = 9,8 Дж.

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую называется первичной. В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости можно классифицировать и первичную энергию.

При классификации первичной энергии выделяют традиционные и нетрадиционные виды энергии. К традиционным относятся такие виды энергии, которые на протяжении многих лет широко использовались человеком. К нетрадиционным видам энергии относят такие виды, которые начали использоваться сравнительно недавно.

К традиционным видам первичной энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).

Энергия, получаемая человеком, после преобразования первичной энергии на специальных установках — станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.).

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указание на то, какой вид первичной энергии в какой вид вторичной преобразуется на них:

ТЭС – тепловая электрическая станция преобразует тепловую энергию в электрическую;

ГЭС – гидроэлектростанция преобразует механическую энергию движения воды в электрическую;

ГАЭС – гидроаккумулирующая электростанция преобразует механическую энергию движения предварительно накопленной в искусственном водоеме воды в электрическую;

АЭС – атомная электростанция преобразует атомную энергию ядерного топлива в электрическую;

ПЭС – приливная электростанция преобразует энергию океанических приливов и отливов в электрическую;

ВЭС – ветряная электростанция преобразует энергию ветра в электрическую;

СЭС – солнечная электростанция преобразует энергию солнечного света в электрическую, и т.д.

Электричество — очень удобный для применения и экономичный вид энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации.

Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть — в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля электрической энергии с каждым годом растет.

Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и в повседневной жизни человека. Ее очень просто превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.

При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать энергию упорядоченного движения, известную в технике под названием свободной энергии (механическая, химическая, электрическая, электромагнитная, ядерная) и энергию хаотического движения, т.е. теплоту.

Любая из форм свободной энергии может быть практически полностью использована. В то же время хаотическая энергия тепла при превращении в механическую энергию снова теряется в виде тепла. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Более того, в настоящее время практически нет способа непосредственного превращения химической и ядерной энергии в электрическую и механическую, как наиболее используемые. Приходится внутреннюю энергию веществ превращать в тепловую, а затем в механическую или электрическую с большими неизбежными теплопотерями.

Таким образом, все виды энергии после выполнения ими полезной работы превращаются в теплоту с более низкой температурой, которая практически непригодна для дальнейшего использования.

Развитие естествознания на протяжении жизни человечества неопровержимо доказало, какие бы новые виды энергии ни открывались, вскоре обнаруживалось одно великое правило. Сумма всех видов энергии оставалась постоянной, что, в конечном счете, привело к утверждению: энергия никогда не создается из ничего и не уничтожается бесследно, она только переходит из одного вида в другой.

В современной науке и практике эта схема настолько полезна, что способна предсказывать появление новых видов энергии.

Если будет обнаружено изменение энергии, которая не входит в список известных в настоящее время видов энергии, если выяснится, что энергия исчезает или появляется из ничего, то будет сначала «придуман», а затем найден новый вид энергии, который учтет это отклонение от постоянства энергии, т.е. закона сохранения энергии.

Закон сохранения энергии нашел подтверждение в различных областях — от механики Ньютона до ядерной физики. Причем закон сохранения энергии — это не только плод воображения или обобщения экспериментов. Вот почему можно полностью согласиться с утверждением одного из крупнейших физиков-теоретиков Пуанкаре: «Так как мы не в силах дать общего определения энергии, принцип ее сохранения означает, что существует нечто, остающееся постоянным. Поэтому, к каким бы новым представлениям о мире не привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем: в них будет нечто остающееся постоянным, что можно назвать ЭНЕРГИЕЙ».

Мировая энергетика. Часть I

Современная цивилизация существует в основном благодаря использованию огромного, по сравнению с более ранними временами, количества энергии в разнообразных машинах в широком смысле этого слова. Более того, потребление энергии человечества постоянно растёт. При этом энергия в годной к употреблению форме является ограниченным ресурсом, так что относительная доступность энергии оказывает серьёзное влияние на развитие как отдельных стран, так и цивилизации в целом.

Существует несколько организаций, ведущих регулярный статистический учёт производства и потребления энергии. В данной статье, в частности, используются данные Международного энергетического агентства (IEA). Выводы и прогнозы различных организаций часто цитируются, но при этом редко поясняется, каким образом и на каких принципах они строятся, что открывает простор для неверных интерпретаций. В данной статье мы постараемся исправить это упущение.

Первичная энергия

При учёте энергии возникает одна сложность — до потребления энергии в её конечной форме она проходит через цепочку преобразований, иногда довольно длинную. Электрочайник кипятит воду — происходит потребление энергии в форме тепла, преобразованной из энергии в форме электричества в сети. В свою очередь в эту форму энергия была преобразована из механической формы — энергии вращения турбин на электростанции, а та была получена из тепловой энергии пара, полученной путём сжигания какого-то топлива, то есть из потенциальной химической энергии. В таком, казалось бы, простом деле оказалось сразу пять этапов преобразования энергии; причём на каждом этапе часть энергии, конечно же, теряется, так что потребление энергии в конечной форме всегда существенно меньше, чем её производство. На каком этапе вести учёт?

В связи с описанной сложностью, в энергетической статистике фиксируется производство и потребление энергии по возможности ближе к началу цепочки, в форме так называемой первичной энергии. Отслеживается только два вида преобразования первичной энергии: электрогенерация, то есть производство электрической энергии, и теплогенерация, то есть производство тепловой энергии (без последующего преобразования в какую-либо другую форму). Дальнейшие преобразования энергии в статистике не учитываются.

Более подробно поясним понятие первичной энергии чуть позже, а пока перечислим виды источников первичной энергии:

Невозобновляемые, в том числе:

• Ископаемое топливо, в том числе:
  • Нефть
  • Природный газ
  • Уголь
• Атомная энергетика

Возобновляемые, в том числе:

• Гидроэнергетика
• Биотопливо/биомасса
• Солнечная энергетика
• Ветроэнергетика
• Геотермальная энергетика и пр.

В нашем списке можно увидеть разделение источников на возобновляемые и невозобновляемые. Под возобновляемостью источника подразумевается его потенциальная неисчерпаемость в масштабах человеческой деятельности. Конечно, это разделение во многом условно. Так, например, ископаемое топливо на самом деле в недрах Земли формируется (то есть возобновляется) постоянно, просто делает оно это по меркам наших энергетических нужд настолько медленно, что пытаться его использовать возобновляемым способом совершенно бессмысленно. Более важный пример — это биотопливо, которое включает в себя такую банальную вещь как дрова. Источником дров, как известно, является лес, и его люди на самом деле легко могут исчерпать, так что возобновляемым он является только до определённой границы. Тем не менее, разделение это важное и часто используемое.

Для ископаемого и биологического топлива количество первичной энергии определяется очень просто: это удельная теплота сгорания, умноженная на массу топлива. Удельная теплота сгорания ископаемого топлива зависит от содержания в нём водорода: для метана, в котором на один атом углерода приходится четыре атома водорода, она равна 50 МДж/кг; для угля, в котором на один атом углерода приходится примерно ноль атомов водорода — около 30 МДж/кг; для нефти — примерно посередине. Понятно, что на практике теплота сгорания для разных сортов одного и того же топлива может быть несколько разной, и в статистике это, по возможности, учитывается.

Все остальные, нетопливные, источники энергии используются практически только для электро- и теплогенерации. Первичная энергия для них немного по-разному. В тех случаях, когда электричество вырабатывается из тепловой энергии, то именно она считается за первичную. Так происходит в атомной энергетике, а также на геотермальных и гелиотермальных электростанциях. Если же электричество генерируется напрямую из природного источника, то первичной считается собственно сама произведённая электроэнергия. Так происходит в гидро- и ветроэнергетике, а также фотовольтаике (вид солнечной энергетики).

Для измерения первичной энергии используются различные единицы. Мы будем использовать так называемую тонну нефтяного эквивалента (тнэ), равную 41,868 ГДж. Предполагается, что такое количество тепловой энергии выделяется при сгорании одной среднестатистической тонны нефти. Тысяча кубических метров природного газа содержит в среднем около 0,8 тнэ. Также одна тонна нефтяного эквивалента равна 11 630 киловатт-часов. Если вы знаете, сколько киловатт-часов у вас дома набегает за месяц по электрическому счётчику, то вы сможете представить себе, какое количество энергии содержит 1 тнэ.

Производство энергии: тепло- и электрогенерация

Примерно 40% первичной энергии сегодня используется в ходе тепло- и электрогенерации. Эти процессы рассматривают вместе по причине широкого применения в энергетике когенерации — совместного производства полезного тепла и электричества, например, на теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). ТЭЦ является разновидностью тепловой электростанции (ТЭС). ТЭЦ отличается тем, что на ней тепло отработанного пара передаётся в теплосеть, а на остальных ТЭС — в окружающую среду. За счёт этого коэффициент полезного действия (КПД) у ТЭЦ заметно выше и достигает 50-60%, по сравнению с 30-40% у обычных ТЭС. Но давайте рассмотрим по порядку имеющиеся сегодня в нашем распоряжении способы генерации электричества и тепла.

ТЭС существуют с конца 19 века и устроены довольно просто. За счёт сжигания топлива вода в котле превращается в пар с очень высокой температурой и давлением. Этот пар направляется на лопатки турбины и тем самым вращает её. Вращение передается на вал электрогенератора с закреплёнными на нём магнитами; вращающееся магнитное поле создаёт электрический ток в замкнутом проводнике в соответствии с законом электромагнитной индукции. Отработанный пар из турбины попадает в конденсатор, где охлаждается и превращается обратно в воду, которая затем снова поступает в котёл.

Выше описан принцип действия ТЭС с паротурбинной установкой. Существуют ещё и газотурбинные установки: в них турбину вращают непосредственно продукты сгорания топлива в виде потока раскалённых газов (таким образом, газовая турбина является двигателем внутреннего сгорания, а паровая — внешнего). Самый же высокий КПД достигается на комбинированной парогазовой установке, состоящей из двух двигателей в тандеме; в этой установке всё ещё горячие отработанные газы из газовой турбины используются для нагрева котла паровой турбины.

Вообще электрогенератору безразлично, что именно вращает его вал, так что комбинация любого теплового двигателя (в том числе поршневого) с электрогенератором составляет тепловую электростанцию того же типа, что и двигатель. Собственно говоря, принцип тот же и для большинства нетепловых электростанций: сначала с помощью какого-либо двигателя энергия из своей исходной формы преобразуется в механическую, а затем превращается в электрическую энергию с помощью электрогенератора.

Топливом для ТЭС служат уголь, природный газ и, гораздо реже, нефтепродукты (мазут или дизель). В газотурбинных и парогазовых ТЭС используется в основном природный газ; уголь используется практически только на ТЭС с паротурбинными установками. Существуют также ТЭС, работающие на биотопливе. Это могут быть отходы деревообработки или сельского хозяйства в виде прессованных гранул, а также биогаз — продукт жизнедеятельности бактерий, перерабатывающих различные биологические отходы, в том числе бытовые и канализационные.

На атомной электростанции (АЭС) в роли котла для создания пара высокого давления выступает ядерный реактор, использующий энергию распада ядер радиоактивных изотопов в ходе цепной реакции. Больше АЭС ничем принципиально не отличается от паротурбинной ТЭС — полученный пар поступает на турбину, и так далее. На АЭС также может быть реализована когенерация тепла и электричества, тогда получится атомная теплоэлектроцентраль — АТЭЦ. Ядерное топливо производится из урана, добываемого на соответствующих месторождениях с конечными запасами. Это означает, что атомная энергетика является невозобновляемым источником энергии.

Все остальные способы тепло- и электрогенерации используют возобновляемые источники энергии. Так, на гидроэлектростанции (ГЭС) вал электрогенератора вращает, как нетрудно догадаться, гидротурбина. В свою очередь последняя вращается за счёт энергии напора воды. Плотина на ГЭС нужна для того, чтобы создать необходимый перепад высот. Если уклон реки достаточно велик (как зачастую бывает в горах), то можно обойтись и без плотины.

На солнечных электростанциях, как правило, используется явление фотоэлектрического эффекта: частицы света (фотоны) определённой энергии (длины волны) могут выбивать электроны из атомов определённым образом организованного вещества (обычно полупроводниковые фотоэлементы, собранные в солнечные батареи). Такая технология называется ещё фотовольтаикой. Она выгодно отличается от других способов производства электроэнергии полным отсутствием движущихся деталей — энергия солнечного излучения напрямую преобразуется в электрическую, минуя стадию механической энергии.

Другая разновидность солнечной энергетики — это гелиотермальные электростанции, на которых энергия солнца собирается в виде тепла и используется опосредованно для электрогенерации по принципу обычных ТЭС. Для сбора солнечной энергии обычно применяются системы линз и зеркал — это так называемые солнечные электростанции концентрирующего типа (CSP).

Ветряные электростанции преобразуют в электричество механическую энергию вращения лопастей ветрогенератора под действием ветра. Ветрогенератор вполне ожидаемо состоит из ветротурбины и электрогенератора. Циркуляция атмосферы Земли, то есть ветер, существует в основном из-за неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. Следовательно, как и солнечная электростанция, ветрогенератор использует возобновляемую энергию Солнца.

Существуют также геотермальные электростанции, устроенные аналогично тепловым, но использующие для нагрева котла энергию горячих подземных вод. Тепло геотермальных источников можно использовать и напрямую для обогрева. Из-за того, что температура подземных вод сравнительно невелика, КПД геотермальных электростанций довольно низок — всего около 10%.

Наконец, приливные и волновые электростанции используют, соответственно, энергию морских приливов/отливов и волн. В совокупности эти способы получения электроэнергии можно назвать морской энергетикой.

В 2013 году всего в мире было сгенерировано и потреблено 23318 тераватт-часов (или 2008 млн тнэ) электроэнергии, а также 354 млн тнэ теплоэнергии; в сумме тепла и электричества получается 2362 млн тнэ. При этом было израсходовано 5115 млн тнэ первичной энергии в различных формах. Таким образом, средний КПД тепло- и электрогенерации (отношение произведённой энергии к первичной) составил 46%.

На рисунке 1 приведена диаграмма использования различных видов первичной энергии для тепло- и электрогенерации. Из диаграммы видно, что ископаемое топливо (то есть уголь, нефть и природный газ) составляет три четверти затрачиваемой в этих целях первичной энергии. Оставшаяся четверть приходится на атомную и возобновляемую энергетику.

Рисунок 1. Использование первичной энергии по источникам для тепло- и электрогенерации в 2013 году (всего 5115 млн тнэ).

Однако если посмотреть на диаграмму распределения по источникам собственно самой произведённой электроэнергии (рисунок 2), то картина будет заметно отличаться в силу того, что разные способы электрогенерации имеют разный КПД (в смысле отношения произведённой электроэнергии к первичной). Так, КПД фотовольтаики, а также гидро- и ветроэнергетики в рамках энергетической статистики считается равным 100%: как уже говорилось, под первичной энергией у этих источников понимается собственно полученная электроэнергия. Практически по всем остальным источникам — первичной энергией является тепло, которое преобразуется в электрическую энергию через механическую. Электрический КПД этого процесса зависит от типа используемого теплового двигателя и достигаемой температуры, и составляет в среднем около 30—40%. Кроме того, из этих источников производится также и полезное тепло, которое в данные рисунка 2 не включено.

Рисунок 2. Произведенная электроэнергия по источникам в 2013 году (всего 2008 млн тнэ или 23318 ТВт*ч).

В итоге на рисунке 2 доля гидроэнергетики выросла до 16%, а доля ветроэнергетики стала, по крайней мере, заметной — 3%. Доля солнечной энергетики всё ещё прячется среди 1% «прочих». Для нас, конечно, важнее именно то, какую долю произведённой электроэнергии нам даёт тот или иной источник, поэтому в диаграмме на рисунке 2 больше практического смысла, чем в диаграмме на рисунке 1. А несколько неочевидным понятием первичной энергии удобно пользоваться, если необходимо, например, занизить значение возобновляемых источников. Но это вовсе не означает, что понятие плохое и ненужное. Дело в том, что на тепло- и электрогенерацию тратится лишь около двух пятых используемой во всём мире первичной энергии; остальную мы расходуем другими способами.

Потребление первичной энергии

На рисунке 3 приведена схема мирового потребления энергии в 2013 году с выделением промежуточного этапа тепло- и электрогенерации. На схеме видно, что всего на все нужды за год было израсходовано 13559 млн тнэ первичной энергии. В том числе 5115 млн тнэ первичной энергии было израсходовано на тепло- и электрогенерацию, что дало в результате 2362 млн тнэ готовой к потреблению тепло- и электроэнергии, а 2753 млн тнэ энергии было потеряно в процессе генерации. В так называемом энергетическом секторе — на добычу и переработку энергоносителей, производство энергии, преобразование энергии из одного вида в другой, а также транспорт энергии в виде тепла и электричества — было израсходовано 1686 млн тнэ энергии, в том числе 1291 млн тнэ первичной энергии и 395 млн тнэ вторичной, то есть сгенерированного тепла и электричества. Оставшиеся 7153 млн тнэ первичной энергии было потреблено в различных секторах экономики другими способами; с учётом 1967 млн тнэ вторичной (сгенерированной) энергии общее конечное потребление энергии составило 9120 млн тнэ.

Рисунок 3. Схема мирового потребления энергии по источникам в 2013 году. Все значения в млн тнэ.

Пройдёмся более подробно по секторам потребления энергии в разрезе её источников.

Название сектора «промышленность» говорит само за себя. Энергия в этом секторе в основном потребляется в металлургической, химической и нефтехимической промышленности, а также при производстве строительных материалов (цемента) и целлюлозно-бумажном производстве. Однако потребление энергии при перевозке товаров, а также добыче и переработке ископаемого топлива сюда не входит. Кроме того, потребление энергоносителей относится к данному сектору только в том случае, когда они используются именно как энергоносители, а не как сырьё или исходный материал для производства.

Ископаемое топливо в промышленности используется в основном для нагрева, то есть когда технология производства требует высокой температуры. Известный всем пример — выплавка металлов. Нагрев необходим и при производстве цемента (барабанные печи), а также на определённых этапах химического и нефтехимического производства. Кроме того, использование нефтепродуктов в качестве топлива для строительной и другой специальной техники тоже отражается в данном секторе. Биоэнергетика в промышленном секторе — это, в основном, утилизация древесных отходов в лесозаготовительной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

Транспортный сектор включает в себя потребление энергии в дорожном, воздушном, водном, железнодорожном и трубопроводном транспорте. К этому сектору не относится потребление топлива техникой, основным назначением которой является не перевозка пассажиров и грузов, а другая деятельность, например, строительство, добыча полезных ископаемых, лесозаготовки, рыболовство и т. п. Около 40-50% энергии в данном секторе потребляется легковыми автомобилями.

В транспортном секторе ожидаемо более 90% энергии даёт нефть, то есть топливные нефтепродукты: бензин, дизельное топливо, керосин, мазут и пр. Большая часть оставшегося — это природный газ в различных формах. Применение биотоплива и электроэнергии на сегодняшний день едва заметно, несмотря на то, что, в частности, электровозы в железнодорожном и трамваи с троллейбусами в городском транспорте достаточно широко применяются уже много десятков лет.

В сектор с не вполне прозрачным названием «здания» включается энергия, потраченная в жилых и разного рода общественных (но не промышленных) зданиях в целях обогрева, охлаждения, горячего водоснабжения, освещения, а также для работы бытовых приборов и оборудования для приготовления пищи. Около 40-45% произведённой тепло- и электроэнергии расходуется именно в этом секторе, больше, чем в каком-либо другом. Сравнительно высокая доля природного газа объясняется, очевидно, применением кухонного газа. Также в данном секторе потребляется более 60% всей первичной биоэнергии. В основном это древесное и другое твёрдое биотопливо, очень широко используемое, в частности, в традиционных обществах так называемых развивающихся стран. Таким образом, на сегодняшний день под модным словом «биоэнергетика» скрываются, по большей части, дрова и сухой навоз.

Наконец, в сектор «прочее» входит потребление энергии в сельском хозяйстве и подобных ему отраслях (рыболовство, лесное хозяйство). В этом же секторе учитывается использование ископаемого топлива не для получения энергии, а в качестве сырья для производства смазочных материалов, асфальта, растворителей, продуктов химической и нефтехимической промышленности и т. д. В этом секторе расходуется в основном нефть, причём сюда приходится довольно значительная часть её общего потребления — около 16%.

Использование тепло- и электроэнергии во всех секторах достаточно прозрачно. Отметим лишь, что около 16% произведённой электроэнергии (331 млн тнэ) тратится в энергетическом секторе на добычу и переработку ископаемого и ядерного топлива, а также теряется при передаче по электрическим сетям. Аналогичные потери происходят и при передаче тепловой энергии по теплосетям. Данный расход энергии включён на схеме в так называемый «энергетический сектор».

В этом же «энергетическом секторе» учитываются затраты энергии на добычу и переработку ископаемого топлива, производство биотоплива, преобразование топлива из одной формы в другую (сжижение газа и угля, преобразование газа в жидкость, газификация угля и нефти), коксование угля, а также потери при транспортировке и хранении газа, нефти, угля и биотоплива.

Рисунок 4. Мировое потребление первичной энергии в 2013 году по источникам.

На рисунке 4 приведено распределение мирового потребления первичной энергии по источникам в соответствии со схемой на рисунке 3. Таким образом, в целом сегодня человечество получает более 80% первичной энергии из ископаемого топлива (то есть угля, нефти и природного газа), и более 85% — из невозобновляемых источников (то же, плюс атомная энергетика). На возобновляемые источники пока что приходится менее 15% первичной энергии. При этом следует помнить, что, с одной стороны, ряд возобновляемых источников (гидроэнергетика, ветроэнергетика, фотовольтаика) по определению имеют стопроцентный КПД, что резко увеличивает их значимость с точки зрения конечного потребления. А с другой стороны, биоэнергетика, составляющая две трети всех возобновляемых источников и 10% общего потребления первичной энергии, по большей части присуща неиндустриальным обществам; поэтому вряд ли стоит связывать её с инновационностью и продвинутостью, приписываемой прочим возобновляемым источникам энергии.

О том, какие существуют прогнозы в отношении мировой энергетики, расскажем в следующей части.

Преобразование энергии из одного вида или формы в другой

Энергия играет важную роль не только для жизни на Земле, но и в любом изменении во Вселенной. Преобразование энергии происходит постоянно изменяя свою форму.

Формы её различны и могут быть:

• химическая
• электромагнитная
• световая
• ядерная
• гравитационная
• механическая
• внутренняя или связи частиц.

Химическая

Например, при горении компонентов бензиновой смеси в автомобиле незначительная часть физической величины покоя превращается в тепло, то есть в движение частиц. С помощью поршней тепло превращается в кинетическую форму движения автомобиля.

Подобным образом горение (окисление) угля, бензина, дерева и других видов топлива представляет собой главный способ преобразования энергии из вещества в тепло и свет. Однако, это весьма неэффективный способ, потому что при этом освобождается менее одной миллиардной доли физической величины мощности покоя вещества.

Например, из одного килограмма угля освобождается около 5 000 ккал тепла, что составляет приблизительно 5 кВт/ч энергии.

Мы знаем, что один кг материи (включая и уголь) содержит энергию 25 миллиардов кВт/ч.

Таким образом, при горении используется меньше чем одна миллиардная доля, а всё остальное остается в пепле и дыме. Итак, мы видим, что горение, которое является в настоящее время главным источником энергии для человечества, – невероятно неэффективный способ получения ее из вещества.

Основной химической реакцией во всех живых организмах является окисление. Организм человека в процессе дыхания получает из воздуха кислород, в процессе питания получает углерод и водород, связанные в органических молекулах (в сахаре, белках и т.д.). При окислении углерода и водорода происходит преобразование энергии  необходимое для всех жизненно важных процессов в организме.

Каждая химическая реакция означает перегруппировку атомов в молекулах. Она осуществляется при участии электромагнитного взаимодействия между атомами.

Электромагнитная

Имеется две составляющие электрическая и магнитная которые взаимодействуют и порождают друг друга. В генераторе переменного тока или динамо-машине движение превращается в электрическое движущееся поле.

Электрическая составляющая с помощью различных приборов может преобразовывать энергию в тепловую, световую, механическую, электромагнитной волны распространяющийся по пространству и т.д.

Световая

В лампах рефлекторов электричество трансформируется в движение фотонов, в свет, а тот, в свою очередь, поглощается поверхностью дороги и превращается в тепло, то есть в кинетическую форму молекул.

Вселенная состоит из частиц и фотонов представляющих собой кванты световой волны или электромагнитного излучения. Это основные элементарные частицы. Между ними беспрестанно происходит обмен энергией. Например, вещество постоянно излучает фотоны и одновременно поглощает их. Другие процессы где происходит преобразование энергии  между этими составными Вселенной являются аннигиляция и материализация.

Несмотря на различные изменения в космическом пространстве, энергия не может исчезнуть или возникнуть из ничего. Она лишь меняет свою форму, а ее количество остается неизменным.

Это важное свойство называется законом сохранения энергии.

Ядерное взаимодействие

Ядерное взаимодействие гораздо сильнее электромагнитного. Оно способно освобождать из материи энергию в несколько миллионов раз большую, чем электромагнитное взаимодействие. В атомной электростанции с помощью ядерных сил получают примерно тысячную долю энергии покоя урана.

Звезды способны сделать это еще лучше человека. При превращении водорода в железо, которое происходит в недрах тяжелых звезд, освобождается почти один процент от энергетической возможности водорода.

Солнце освобождает энергию подобным образом, что и водородная бомба за счет синтеза легких элементов в тяжелые. Различие состоит в том, что Солнце это делает гораздо более совершенно, чисто, исключительно ради сохранения жизни, а не для ее уничтожения. Поэтому светимость Солнца и обеспечивает жизнь на Земле.

Электромагнитные силы (соединение электрона с ядром или соединение молекул в кристаллы) всегда очень неэффективны.

Гравитационная

И гравитационная сила способна эффективно преобразовывать энергию, но лишь в космических телах, имеющих гигантскую массу, например, в массивных звездах, компактных ядрах галактик и пр. Там гравитация способна выжать из материи почти половину из возможного.

Земля — сравнительно малое тело, поэтому на ней невозможно получить большую величину с помощью гравитации.

Механическая

Самая объяснимая, состоящая из кинетической и потенциальной мера способности совершать работу.

Само механическое движение того или иного объекта может способствовать преобразованию энергии из одного вида в другой. В природе явление этого преобразования встречается везде.

Эту цепочку в которой происходит преобразование энергии из одной формы в другую можно было бы продолжать бесконечно.

Термодинамика топливных элементов | IntechOpen

1. Введение

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию в работу в виде электрической энергии и тепла. Любая система, производящая энергию, подчиняется законам термодинамики. Количество произведенной работы / тепла зависит от термодинамических величин для обратимых реакций, в то время как для необратимых реакций требуется перенапряжение для завершения работы. Для иллюстрации простейшего случая используются водород и кислород.Проведен общий термодинамический анализ обратимой работы водородных топливных элементов по обратимой реакции. Понятия энтальпия, удельная теплоемкость, энтропия и свободная энергия Гиббса относятся к реагирующим системам в топливных элементах. Свободная энергия Гиббса — это термодинамический потенциал, который измеряет обратимую работу термодинамической системы при постоянном давлении и температуре. Изменение энтальпии и изменение энтропии имеют значение, в частности, для топливных элементов; они указывают на спонтанность процесса адсорбции и повышенную хаотичность молекул адсорбата на твердой поверхности соответственно.Удельная теплоемкость — это количество тепловой энергии, необходимой для повышения температуры вещества на 1 ° C. Рабочие характеристики топливного элемента проверяются с помощью обратимого напряжения, а фактическое выходное напряжение — после перенапряжения. Эффективность топливного элемента — это полезный выход энергии, который представляет собой произведенную электрическую энергию, а вложенная энергия — это энтальпия водорода.

2. Термодинамика топливного элемента

Топливный элемент, также известный как гальванический или гальванический элемент, является хорошо известным примером устройства, которое работает, преобразуя химическую энергию в электрическую, что выражается в терминах: потенциал ячейки и выход электрического тока.Максимально возможная выходная электрическая энергия и соответствующая разность электрических потенциалов между катодом и анодом достигаются, когда топливный элемент работает в термодинамически обратимых условиях, как показано на рисунке 1, система топливного элемента, в которую входят потоки топлива и окислителя, и поток продукта. выходы. К сожалению, некоторая часть энергии неизбежно будет рассеиваться в виде тепла.

Рис. 1.

Простая диаграмма топливного элемента h3 / O2.

Общие электрохимические реакции, происходящие внутри границы системы топливных элементов, описываются следующим образом:

h3fuel + O2oxidant → W + Q + h3OproductE1

где W — скорость электрической работы, выполняемой системой, а Q — скорость нагрева. переносится в систему из окружающей среды при постоянном давлении и температуре.

Электрические работы, как правило, описываются соотношением:

W = EI∆tE2

, где E — напряжение элемента, а I — ток. В реакции топливного элемента электроны передаются от анода к катоду, образуя ток.

Количество переданного электричества (IΔt), когда происходит реакция, выражается выражением nF, где n — количество перенесенных электронов, а F — постоянная Фарадея = 96 493 кулонов. Следовательно, электрическая работа может быть рассчитана как:

W = −nFEcellE3

Свободная энергия Гиббса — это максимальный объем работы, выполняемой в системе:

Wel = ∆GE4

∆G = −nFEcellE5

Отсюда максимальное потенциал ячейки или обратимый потенциал ячейки равен:

Erev = −∆GnFE6

, где E ° также называется обратимым напряжением, потому что это максимально возможное напряжение без каких-либо необратимых потерь.Это максимально возможное напряжение электрохимической ячейки, поскольку оно достигается в предположении обратимого процесса. Если мы смотрим на окислительно-восстановительную реакцию в расчете на моль топлива, абсолютная функция Гиббса эквивалентна удельному молярному значению. Все потери в топливных элементах связаны с отклонением от этого максимума. Поскольку F и n являются константами для конкретной глобальной окислительно-восстановительной реакции, функциональная зависимость максимально возможного напряжения электрохимической ячейки строго связана с зависимостями свободной энергии Гиббса, а именно с температурой и давлением реагентов и продуктов.Если бы вся потенциальная химическая энергия реакции ушла бы на электрическую работу и не было бы передачи тепла, не было бы изменения энтропии; dG = dH. В этом случае мы можем показать, что:

Erev = −∆HnFE7

Для общей реакции:

Для общей реакции или процесса A и B с образованием продуктов C и D:

aA + bB → cC + dDE8

∆Gf = ∆Gof + RTlnaCcaDdaAaaBbE9

где a — коэффициенты термодинамической активности реагирующих частиц. Чтобы преобразовать его в напряжение, мы можем разделить его на nF:

ETP = Eo⏟I − RTnFlnaCcaDdaAaaBb⏟IIE10

, где I — стандартное напряжение, рассчитанное при давлении 1 атм для всех компонентов, а II учитывает термодинамическую зависимость активности от Nernst. напряжение.

1. Для идеального газа a = P _i / P °, где P _i — парциальное давление интересующего вещества, а P ° — эталонное давление, 1 атм.

2. Для водяного пара парциальное давление пара не может превышать давление насыщения P _sat , которое является функцией температуры. Таким образом, опорное давление устанавливается на Р _сидел , а = Р об / Р _сидел , который является относительной влажности, относительной влажности. Обычно можно считать, что это 1.0 в ближайшей молекулярной области водогенерирующего электрода. Это разумное предположение, потому что образование воды всегда происходит на поверхности катализатора, а активность воды здесь равна 1,0. Кроме того, сама реакция не ограничивается концентрацией воды в продукте на этой поверхности:

ETP = Eo-RTnFlnPCPocPDPodPAPoaPBPobE11

, где парциальные давления оцениваются на конкретном электроде, где происходит реакция с участием компонентов. Используя это выражение, мы можем найти ожидаемое максимальное напряжение (Нернста) для данной реакции топливного элемента.Два важных момента:

1. Уравнение Нернста является результатом равновесия, установленного на поверхностях электродов. Определенный градиент может существовать между концентрацией компонентов в канале топливного элемента и электрода, особенно в условиях высокой плотности тока, что в любом случае нельзя рассматривать как истинную ситуацию термодинамического равновесия.

2. Только виды, непосредственно участвующие в электрохимической реакции уравнения. (8) представлены непосредственно в терминах активности уравнения.(10). Виды, не участвующие в реакции электрохимического переноса заряда, только косвенно изменяют напряжение через мольные доли частиц участвующих частиц.

Для потенциала топливного элемента H ₂ / O ₂ напряжение холостого хода представляет собой максимальное рабочее напряжение (когда ток не течет) и определяется химической термодинамикой общей реакции элемента. Уравнение Нернста обеспечивает связь между стандартным потенциалом (E ^o ) для реакции в ячейке и напряжением холостого хода, которое может быть определено при парциальных давлениях реагентов и продуктов при температуре (T):

ETP = Eo − RT2Flnyh3OPcathodePsatyh3PanodePoyO2PcathodePo1 / 2E12

Чтобы понять, как обратимое напряжение изменяется в зависимости от температуры и давления, соответственно, мы ранее показали, что свободная энергия Гиббса связана с напряжением обратимого элемента по формуле.(5):

∆G = −nFEcell

При постоянном давлении указанная выше зависимость дает соотношение Максвелла, которое связывает изменение напряжения открытого элемента с температурой T (измеримой величиной) с изменением энтропии S [1]:

∂E∂TQ = −∂S∂QTE13

∂E∂TP = ∆SnFE14

∆S = nF∂E∂TPE15

Erev = Eorev + ∆SnFT − ToE16

При постоянной температуре Eq. (5) дает уравнение, которое связывает напряжение с давлением, p, с изменением объема:

∂E∂PT = −∂vnFE17

Если изменение объема реакции отрицательное (если меньшее количество молей газа генерируется реакция, чем потребляется, например), то напряжение ячейки будет увеличиваться с увеличением давления.

Обычно только газы вызывают заметное изменение объема. Предполагая, что применяется закон идеального газа, мы можем написать уравнение. (17) как:

∂E∂PT = −∆ngRTnFpE18

, где Δn _г представляет собой изменение общего количества молей газа в результате реакции. Давление, как и температура, оказывает минимальное влияние на обратимое напряжение:

Erev = Eorev − ∆nRTnFlnPE19

2.1 Энтальпия реакции для топливного элемента

Энтальпия — это термодинамическая величина, которая определяет общее теплосодержание системы. , который является суммой всех внутренних процессов в замкнутой системе [2].Для гомогенных систем энтальпия зависит исключительно от размера системы, поскольку это обширное свойство. Энтальпия (H) — это сумма внутренней энергии системы (U) и произведения давления (P) и объема (V) системы. Изменение энтальпии в системе равно количеству тепла, полученного или потерянного в системе:

H = U + PVE20

Изменение энтальпии (ΔH) для реакции в топливном элементе указывает полное количество тепла, выделяемого реакция при постоянном давлении; следовательно, энтальпия просто равна выделяемому теплу:

H = QpE21

При постоянном давлении и объеме термодинамические свойства ячейки связаны с поведением ее потенциала и определяются из уравнения Гиббса-Гельмгольца [3] :

∆H = ∆G − T∂∆G∂TpE22

В соответствии с уравнением.(5), с точки зрения электрохимических процессов, изменение энтальпии может быть записано как:

∆H = nFT∂EcellTp − EcellE23

Общая реакция в уравнении. (1) совпадает с реакцией горения водорода. Сжигание — экзотермический процесс, что означает, что в процессе выделяется энергия [4, 5]:

h3 + ½O2 → h3O∆H <0E24

Из таблицы энтальпий образования (h ^o _f ) и абсолютные энтропии образования (s ^o _f ), полученные из основных термодинамических данных (см. Таблицу 1), теплоту образования жидкой и парообразной воды можно рассчитать, используя приведенное выше уравнение, чтобы получить:

0

Таблица 1.

Энтальпии образования и абсолютные энтропии образования реагентов и продуктов топливных элементов (при 25 ° C и 1 атм).

Теплота (или энтальпия) химической реакции — это разница между теплотой образования продуктов и реагентов. Это означает [6]:

∆Hf = ∑продукты − ∑реагенты

= hfh3O − hfh3 + 1 / 2hfO2E25

∆H _f , _{H 2 O (l)} = HHV = −285,8 кДж / моль и ∆H _{f, H 2 O (г)} = LHV = −241.8 кДж / моль.

Энтальпия реакции горения водорода (уравнение (25)) также называется теплотворной способностью водорода. 285,83 кДж / моль известны как высшая теплотворная способность водорода (HHV), что означает, что 1 моль водорода полностью сгорает с ½ моля кислорода и охлаждается до 25 ° C. Если водород сжигается с достаточным избытком кислорода и охлаждается до 25 ° C, значение станет 241,82 кДж / моль, что известно как нижняя теплотворная способность водорода (НТС) [7]. Разница между LHV и HHV 44.01 кДж / моль равно молярной скрытой теплоте парообразования при 25 ° C.

В качестве теплотворной способности для реакций с участием воды в качестве продукта существует выбор при расчете термодинамических напряжений между высокой теплотой сгорания (HHV) и низкой теплотой сгорания (LHV), определяемой следующим образом для данной реакции:

Обратите внимание, что все расчеты основаны на HHV или LHV и не обязательно соответствуют фактическому физическому состоянию получаемой воды на электроде топливного элемента. Термины HHV и LHV также используются в расчетах сгорания, когда получаемая вода почти всегда находится в газовой фазе.Разница между двумя значениями пропорциональна скрытой теплоте испарения жидкости. Использование LHV (газообразный парообразный продукт) приведет к более низкому расчетному тепловому напряжению, поскольку некоторая энергия используется для скрытой теплоты испарения жидкости. На практике LHV полностью подходит для высокотемпературных топливных элементов, но также широко используется HHV. Важный момент, касающийся низкотемпературных топливных элементов, который часто сбивает с толку, заключается в том, что выбор HHV или LHV является произвольным, и 100 ° C не является точкой разграничения между ними.Часто 100 ° C считают естественной границей между HHV и LHV, потому что это температура фазового перехода воды при давлении 1 атм. Однако разграничение между жидкостью и газом более сложное и связано с локальным давлением пара и общим давлением.

2.2 Энтропия (S)

Концепция энтропии — это один из термодинамических параметров, которые важно понять науке о топливных элементах. Энтропия определяется как мера недоступной энергии в замкнутой термодинамической системе, которая обычно рассматривается как мера беспорядка системы, известная как второй закон термодинамики.Полная энтропия системы увеличивается с течением времени по мере увеличения молекулярного беспорядка. Следовательно, если система находится в равновесии, при изменении между начальным состоянием и конечным состоянием система претерпевает обратимое изменение. Поскольку энтропия представляет собой недоступную энергию, используемую в системе, система с нулевой энтропией оптимизирует рабочий выход системы. Топливный элемент вырабатывает определенное количество электричества и отбрасывает часть тепловой энергии Q в окружающую среду. Поскольку существует теплопередача, а это реальная система, должно быть увеличение энтропии.Количество отводимого тепла и максимальное количество электроэнергии, которое будет генерировать топливный элемент, можно определить, сформулировав изменения энтропии, происходящие в элементе:

h3 + O2 → h3O + QE26

Энтропия H ₂ и O ₂ исчезнет, ​​но появится новая энтропия H ₂ O и образование тепла. Пока процесс обратим, что является предположением для топливного элемента, энтропия, появляющаяся в отброшенном тепле, может быть записана как [8]:

∆S = ∆QrevTE27

Уравнение для изменения энтропии (∆S ) равно изменению энтальпии (∆Q), деленному на температуру (T) системы.

Поскольку при работе с электричеством передача тепла отсутствует, энтропия равна нулю. Энтропия в топливном элементе H ₂ / O ₂ может быть рассчитана с использованием значений абсолютной энтропии, приведенных в таблице 1. Второй закон термодинамики требует, чтобы в топливном элементе было чистое увеличение энтропии. Следовательно, энтропия, которая проявляется в отбрасываемом тепле и полученной воде (жидкой воде), должна быть больше энтропии, содержащейся в реагентах (H ₂ и O ₂ ) [9, 10]:

Прирост энтропии ≥ потеря энтропии

QT + ∑продукты ≥∑реагенты E28

Q≥Tпродукты − реагенты E29

Для расчета количества тепла, отводимого на моль H ₂ :

∑реагенты = 0.131 кДжмоль.к × 1 мольч3 + 0,205 кДжмоль.к × ½ мольO2

= 0,2335 кДж / моль.K

∑ Продукция = 0,070 кДжмоль.к × 1 мольч 3Ol

= 0,070 кДж / моль.K

реакция:

Qmin = T∑реагенты − ∑Sproducts = 298k0,0134-0,070

= 48,72 кДж / моль h3

Поскольку эффекты теплоемкости обычно незначительны, значения ∆H и ∆S обычно считаются независимыми от температуры. Для упрощенного расчета энтропии можно использовать значения энтропии, полученные из таблицы 1:

∆Sf = soh3O − soh3 + 1 / 2soO2E30

∆S _f , _{H 2 O (l)} = HHV = −0.163 кДж / моль.K и ∆S _{f, H 2 O (г)} = LHV = -0,045 кДж / моль.K.

2.3 Свободная энергия Гиббса

Исходя из второго закона термодинамики, изменение свободной энергии или максимальной полезной работы может быть получено, когда «идеальный» топливный элемент, работающий необратимо, зависит от температуры. Следовательно, W _el , выходная электрическая мощность, равна [11]:

ΔG = ΔH − TΔSE31

, где H — полная энергия системы, S — «недоступная» энергия, а G — «свободная». энергия, или энергия, доступная для полезной работы.

Изменение свободной энергии Гиббса зависит от температуры и давления. Можно показать, что для топливного элемента H ₂ / O ₂ :

∆Gf = ∆Gof + RTlnph3Oph3p√O2E32

, где ∆G ^o _{f составляет} изменение свободной энергии Гиббса при стандартном давление, которое изменяется в зависимости от температуры Т топливного элемента, в Кельвинах; p _{H 2} , p _{O 2} и P _{H 2 O} — парциальное давление водорода, кислорода и пара соответственно; R — универсальная газовая постоянная (8.314 Дж / (кг · К)). Тот факт, что величина ∆G ^o _f отрицательна, означает, что в результате реакции выделяется энергия [12, 13, 14].

Для реакции топливного элемента H ₂ / O ₂ изменение свободной энергии Гиббса составляет:

∆Gf = Gf, продукты − Gf, реагенты = Gf, h3O − Gf, h3 + Gf, O2E33

Максимально возможная выходная электрическая энергия и соответствующая разность электрических потенциалов между катодом и анодом достигаются, когда топливный элемент работает в термодинамически обратимых условиях.Этот максимально возможный потенциал клетки называется «обратимым потенциалом клетки», это один из очень важных параметров для FC.

Из уравнения. (23) мы рассчитали, что ∆H составляет 285,830 кДж / моль для HHV водорода и 241,98 кДж / моль для HHV водорода, в то время как для ∆S в уравнении. Согласно (28) энтропия реакции составляет 0,163 кДж / моль для HHV и для LHV 0,044 кДж / моль.

Для расчета свободной энергии Гиббса для H ₂ / O ₂ реакция топливного элемента:

∆Gfl = HHV = −285,8 кДж / моль − 273,15 K − 0,1633 кДж / моль = −237.1 кДж / моль

∆Gfg = LHV = −241,8 кДж / моль − 273,15 K − 0,045 кДж / моль = −228,6 кДж / моль

Тот факт, что значение ∆G ^o _f отрицательное, означает, что энергия высвобождается из реакции. Из уравнения. (6) потенциальное или обратимое напряжение открытого элемента E ^o любого электрохимического устройства определяется как:

Eo = −∆GnF

, где n — количество обмененных электронов, а F — постоянная Фарадея. Для окисления водорода или образования воды n = 2. Свободные энтальпии ∆G образования воды равны:

∆Gf, h3Ol = −237.13 кДж / моль ∆Gf, h3Og = −228,57 кДж / моль

Следовательно, соответствующий потенциал равен (Таблица 2):

Таблица 2.

Энтальпии, энтропии и свободная энергия Гиббса H ₂ / O ₂ реакция топливного элемента в (кДж / моль.K) и результирующий теоретический потенциал ячейки при 25 ° C.

Elo = −∆Gfh3Ol2F = −1,23VandEgo = −∆Gfh3Og2F = −1,18 кДж / моль

2,4 Удельная теплоемкость

Еще одно свойство, важное в термодинамике и изучении топливных элементов, — это удельная теплоемкость.Удельная теплоемкость твердого вещества или жидкости обычно определяется как тепло, необходимое для увеличения массы единицы за счет повышения температуры на 1 градус. Для газа существует бесконечное количество способов добавления тепла между любыми двумя температурами, и, следовательно, газ может иметь бесконечное количество удельных теплоемкостей. Однако для газов определены только две удельные теплоты: удельная теплоемкость при постоянном объеме c _v и удельная теплоемкость при постоянном давлении c _p .

Для обратимого идеального газа непроточный процесс при постоянном давлении и постоянном объеме задается как, соответственно:

dQ = CpdTE34

и

dQ = CvdTE35

Для вещества, моделируемого как несжимаемое, Предполагается, что удельная теплоемкость равна, Cp = Cv [15]:

Cp = Cv = dQdTE36

Для идеального газа, в котором, как предполагается, находится топливный элемент, удельная энтальпия зависит только от температуры:

hf = dQ = CpdTE37

hT = h398.15 + ∫298.15TCPdTE38

, где h _298,15 — энтальпия при эталонной температуре.

Удельная теплоемкость также может быть связана с удельной энтропией при температуре T:

dS = dQT = CpdTTE39

sT = s298.15 + ∫298.15T1TCPdTE40

Удельная энтальпия и энтропия для H ₂ / O _{2 Топливный элемент} определяется как [16]:

ΔH = [hof, h3O + Cp, h3O (T − 298,15)] h3O − ½ [hof, O2 + Cp, O2 (T − 298,15)] O2− [hof, h3 + Cp, h3 (T-298,15)] h3E41

ΔS = [hof, h3O + Cp, h3O lnT298.15] h3O − ½ [hof, O2 + Cp, O2lnT298.15] O2− [hof, h3 + Cp, h3lnT298.15] h3E42

Значения молярной энтропии и энтальпии образования при 298,15 K приведены в таблице 1 [ 17]. Уравнения. (38) и (40) можно использовать для определения удельной теплоемкости Cp при постоянном давлении. Отношения удельной теплоемкости обычно моделируются полиномами высокого порядка, например, перечисленными ниже для газов водородных топливных элементов, действительными в диапазоне 300–1000 K [18]. Сообщается, что в диапазоне температур Cp не является постоянным, в то время как в диапазоне 300–350 K полученные значения Cp равны 0.Точность 6% [4].

Водород, H ₂ :

CpT = 3,057 + 2,677 × 10−3T − 5,810 × 10−6T2 + 5,521 × 10−9T3−1,812 × 10−12T4

Oxygen, O ₂ :

CpT = 3,626−1,878 × 10−3T + 7,055 × 10−6T2−6.764 × 10−9T3 + 2,156 × 10−12T4

Для H ₂ o:

CpT = 4,070−1,808 × 10−3T + 4,152 × 10 −6T2−2.964 × 10−9T3 + 0.807 × 10−12T4

Значения теплоемкости для водорода, кислорода и воды в зависимости от температуры показаны на рисунке 2. Данные были получены из Kabza [4].

Рис. 2.

Значения удельной теплоемкости водорода, кислорода и воды в зависимости от температуры.

4. Необратимые потери

Помимо расчета количества энергии во время преобразования химической энергии в электрическую, существует также вопрос прохождения электронов через материалы в процессе топливных элементов. Единичный топливный элемент обеспечивает напряжение, зависящее от рабочих условий, таких как температура, приложенная нагрузка и расход топлива / окислителя [29, 30].Если топливный элемент снабжен газами-реагентами, но электрический ток не замкнут, он не будет генерировать никакого тока, и можно было бы ожидать, что потенциал элемента будет на уровне теоретического потенциала элемента для данных условий (температура, давление и концентрация реагенты). В обратимых условиях потеря энергии — это тепло, теряемое в окружающую среду, T∆s, из-за отрицательной энтропии [12].

Однако на практике потенциал термодинамической ячейки уменьшается от идеального, обычно менее 1 В, из-за необратимых потерь, известных как перенапряжение или поляризация [17].Перенапряжение характеристик топливного элемента связано с [14, 31]:

1. Перенапряжение активации: Поляризация активации связана с процессами переноса заряда, происходящими во время электрохимических реакций на поверхности электродов. Потери вызваны медленностью реакций, протекающих на поверхности электродов [32]. Поляризация активации зависит от типа электрода, ионных взаимодействий, взаимодействий ион-растворитель и границы раздела электрод-электролит [33].

2. Омическое перенапряжение: в большинстве топливных элементов наиболее важным вкладом в это сопротивление является электролит из-за ионной природы его проводимости, сопротивления потоку электронов через электроды и контактного сопротивления на выводах элемента.

3. Перенапряжение массопереноса (концентрации): Концентрационная поляризация возникает из-за уменьшения концентрации реагентов на границе раздела электрод-электролит. Из-за проблем с диффузией или конвекцией в электролите концентрация реагентов не поддерживается на начальном уровне.Накопление продуктов реакции также может вызвать разбавление реагентов. Образованный таким образом градиент концентрации вызывает падение активности электрода, и напряжение на клеммах уменьшается.

4. Перенапряжение перехода топлива: «Кроссовер» — один из распространенных эффектов, возникающих в спиртовых топливных элементах [22]. Хотя электролит, полимерная мембрана, не является электропроводным и практически непроницаемым для газов-реагентов, некоторое количество топлива будет диффундировать от анода к катоду для реакции с кислородом, что приведет к уменьшению количества электронов в генерируемом токе электронов, проходящих через внешнюю цепь. [34].При таком переходе катодный потенциал уменьшается, что снижает общую эффективность топливного элемента. Это происходит, когда промежуточные продукты, образующиеся при окислении топлива, имеют более высокую концентрацию, чем кислород на катоде. Повышение температуры усиливает эффект кроссовера [35].

Стандартным показателем производительности является кривая поляризации, которая представляет зависимость напряжения элемента от плотности рабочего тока (рис. 4). Из рисунка видно, что потери напряжения, вызванные смешанным потенциалом и кроссовером, активационной поляризацией, омической поляризацией и потерями при переносе массы, являются наиболее значительными в хвосте кривой ВАХ.Максимальный топливный элемент затем исследуется через обратимое напряжение системы, которое рассчитывается с использованием термодинамики и фактического напряжения системы [36]. Конечное напряжение ниже, чем термодинамическое, и обычно составляет от 0,5 до 1,0 В. Хотя поляризации невозможно устранить, выбор материала и конструкции электродов могут способствовать их минимизации [37]:

E = Etherm − ηact − ηohm − ηconcE45

Рис. 4.

Поляризационная кривая h3 / O2 в состоянии равновесия и потери напряжения в топливном элементе [30].

, где E — потенциал ячейки, E _therm — термодинамический потенциал, η _act — потеря напряжения из-за активационной поляризации, η _ohm — потеря напряжения из-за омической поляризации и η _conc — потеря напряжения из-за поляризации массопереноса и результаты генерации энтропии [38, 39, 40, 41]:

S = EnFTE46

Кроме того, соответствующие потери тепла для необратимости могут быть рассчитаны как (Рисунок 4):

q = T∆s − nFE = ∆H − ∆G − nFEE47

.

ENERGY — Тематические тексты

Главная
→
ENERGY — Тематические тексты

Текст 1

Все происходит благодаря энергии. Без него на Земле не было бы жизни. Ученые классифицируют энергию по нескольким различным типам, включая химическую энергию, световую энергию и ядерную энергию. Большинство видов энергии могут переключаться из одной формы в другую. Когда образуются переключатели энергии, что-то происходит или работа выполняется. В автомобиле, например, бензин обеспечивает химическую энергию, которая превращается в механическую энергию, тепловую энергию, электрическую энергию и энергию звука при запуске двигателя.

Текст 2

Ученые делят энергию на семь основных типов. К ним относятся тепловая энергия, которая повышает температуру вещества, электрическую энергию, которая преобразуется в другие формы энергии, включая тепло и свет, и химическую энергию, содержащуюся в топливе. Вся энергия, которая прямо или косвенно исходит от Солнца, известна как лучистая энергия и составляет электромагнитный спектр.

Текст 3

Тепло — это форма энергии, которая передается от одного объекта или тела к другому, если между ними есть разница в температуре.Например, когда вам жарко, а воздух за пределами вашего тела прохладнее, вы теряете тепло в воздух. Изменение уровня тепла тела приводит к изменению энергии его молекул. Это вызывает изменение температуры, что, в свою очередь, может привести к изменению состояния.

Текст 4

Практически любую форму энергии можно преобразовать в электричество. Наиболее распространенные методы производства электроэнергии — это те, которые используются в батареях или генераторах. Питание от батарей производится путем преобразования химической энергии в электрическую.Большинство генераторов преобразуют тепловую энергию (от сжигания топлива) в электрическую. Некоторые генераторы используют такие природные ресурсы, как солнечный свет или ветер, для получения электроэнергии.

Текст 5

Различное поведение вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях объясняется кинетической теорией. Состояние любой конкретной материи определяется количеством энергии, содержащейся внутри ее атомов (крошечных частиц, из которых состоит вся материя). Изменения состояния происходят при изменении энергетических уровней атомов.Атомы в газе обладают наибольшей энергией. Общее количество энергии, содержащейся в атомах вещества, известно как кинетическая энергия вещества. Температура вещества и давление, под которым оно находится, влияют на его кинетическую энергию; так же как и объем его контейнера.

.

ЕДИНИЦА 9. Текст: «Энергия».

I. Найдите слова в словаре. Запишите их и узнайте.

II.Прочитай текст. При необходимости воспользуйтесь словарем.

Текст: «Энергия».

Энергия можно определить как способность выполнять работу. Физики подразделяют энергию на несколько типов: кинетическая, потенциальная, тепловая, звуковая, лучистая (например, световая), а также электрическая, химическая и ядерная энергия.

Кинетической энергией обладает движущийся объект в силу своего движения. Он равен работе, проделанной для ускорения объекта до определенной скорости; он также равен работе, проделанной для остановки движущегося объекта.Две основные формы кинетической энергии известны как поступательная и вращательная. Первым обладает объект, перемещающийся из одного положения в другое. Второй — это вращающиеся объекты, которые вращаются вокруг оси и поэтому периодически возвращаются в одно и то же положение.

Объект обладает потенциальной энергией в силу своего положения. Два общих типа — это гравитационная и упругая потенциальная энергия.

Объект обладает теплотой, или тепловой энергией, благодаря своей температуре.Фактически, это просто форма кинетической энергии, потому что температура вещества зависит от движения составляющих его атомов или молекул; чем выше его температура, тем быстрее движутся молекулы.

Энергия излучения состоит из электромагнитного излучения и включает радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение и рентгеновские лучи. Единственная форма энергии, которая может существовать в отсутствие материи, это волновое движение в электрическом и магнитном полях. Лучистая энергия излучается, когда электроны внутри атомов падают с более высокого на более низкий энергетический уровень и высвобождают «избыточную» энергию в виде излучения.

Звуковая энергия состоит из движущихся волн давления в такой среде, как воздух, вода или металл. Они состоят из колебаний молекул среды.

Материя, которая приобрела или потеряла электрический заряд, имеет электрическую энергию. Движение зарядов представляет собой электрический ток, который течет между двумя объектами с разными потенциалами, когда они соединяются проводником.

Химической энергией обладают вещества, которые подвергаются химической реакции, например горению.Он хранится в химических связях между атомами, составляющими молекулы вещества.

Ядерная энергия образуется, когда ядра атомов изменяются в результате расщепления или соединения вместе. Процесс расщепления известен как ядерное деление, а соединение — как ядерный синтез. Такие изменения могут сопровождаться высвобождением огромного количества энергии в виде тепла, света и радиоактивности (излучение атомных частиц или гамма-излучение, или и то, и другое).

Когда объект теряет или приобретает один тип энергии, другой вид соответственно приобретается или теряется.Общее количество энергии, которым обладает объект, остается неизменным. Это явление является принципом сохранения энергии, который гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только преобразована в другие формы.

Если рассматривать массу и энергию вместе, общее количество массы и энергии остается неизменным. Следовательно, принцип сохранения массы был преобразован в так называемый принцип сохранения массы-энергии. Теория относительности показывает, что массу и энергию можно считать полностью взаимопревращаемыми, а количество энергии, производимой при разрушении материи, дается хорошо известным уравнением E = mc ² ( E — высвобожденной энергии, м — разрушенная масса, а c — скорость света).

Передача энергии. Энергия часто передается с помощью волновых движений, и по этой причине изучение волн имеет решающее значение в физике — от волновой механики атома до изучения гравитационных волн, создаваемых черными дырами. В общем, бегущая волна — это движение возмущения от источника, и энергия переносится, когда возмущение движется наружу.

Если создаваемое возмущение параллельно направлению движения энергии, волна называется продольной; звуковые волны относятся к этому типу.Если возмущение перпендикулярно направлению движения энергии — как в электромагнитном излучении и волнах на поверхности воды — тогда волна будет поперечной.

Четыре свойства волны можно выделить и математически описать: длину волны, частоту, скорость и амплитуду.

III. Найдите существительное в каждой строке и переведите его. Переведите также подчеркнутые слова.

а) электрические, тепловые, состоят, претерпевают, поперечные;

б) Частота нормальная, следовательно, включить, изменить;

c) конвертируемый, обладающий, термический, длина волны, определяющий;

г) Продольное, математически, наружу, умножение, уравнение;

д) Возмущение, ненормальное, просто испускающее, огромное;

f) Ускорение, в частности, вращательное, ось, невидимая;

г) Перевод, вращение, периодически, нечасто, дирижер.

IV. Практикуйте следующие модели речи.

Паттерн 1. Энергия определяется как способность выполнять работу.

1. электрон — точечное электрическое изменение

2. плазма — четвертое состояние вещества

3. сила — агент, способный изменять состояние покоя или движения объекта

4. масса — сопротивление объекта любому изменению его состояния под действием силы.

5. гравитация — сила взаимного притяжения между объектами, имеющими массу

.

Образец 2. Физики классифицируют энергию на несколько типов: кинетическая, потенциальная, тепловая, звуковая, лучистая, электрическая, химическая и ядерная.

1. Физические науки в нескольких областях: механика, звук, тепло, электричество и т. Д.

2. частицы на несколько типов: электроны, протоны, нейтроны и т. Д.

3. состояния вещества на несколько типов: твердое, жидкое, газовое, плазменное

4.твердые тела на два типа: «истинные» и аморфные

5. вещества в растворах двух типов: кристаллоиды и коллоиды

6. различные типы движения: линейное, круговое и простое гармоническое движение

Паттерн 3. Две основные формы кинетической энергии известны как поступательная и вращательная.

1. Два раздела физики — экспериментальная и теоретическая физика

2. четыре состояния материи — твердое, газовое, жидкое и плазменное

3.три основных типа сил — силы тяжести, трения и силы вязкости

4. два основных типа веществ в растворах — коллоиды и кристаллоиды

5. два типа твердых тел — «истинные» и аморфные

Паттерн 4. Кинетическая энергия объекта достигается благодаря его движению.

1. поступательная энергия — ее движение из одного положения в другое

2. энергия вращения — его вращение вокруг оси

3.потенциальная энергия — ее позиция

4. тепловая энергия — ее температура

5. электрическая энергия — получение или потеря электрического заряда

6. химическая энергия — химическая реакция

Шаблон 5. Изучение волн имеет решающее значение в физике.

V. Найдите предложения, которых нет в тексте.

VI. Найдите в тексте английские эквиваленты.

VII. Найдите в тексте русские эквиваленты следующих выражений.

VIII.Заполнить недостающие слова.

IX. При необходимости введите предлоги.

X. Определите, истинны ли предложения или нет.

XI. Ответь на вопрос.

XII. Задайте вопрос к следующим предложениям.

XIII. Продиктуйте своим однокурсникам следующие предложения на английском языке. Проверьте их вместе.

XIV. Диктант-перевод.

.

от химического до электротехнического | EGEE 401: Энергия в меняющемся мире

Рисунок 2.6: Батареи преобразуют химическую энергию в электрическую.

Щелкните здесь, чтобы просмотреть текстовую альтернативу рисунка 2.6

На рисунке изображена цепь энергии батареи, изображенная прямоугольником. Слева от прямоугольника находится лампочка, а с правой стороны — батарея с тремя компонентами. На верхней части батареи написано «Катод» (положительный заряд). Середина батареи помечена «Электролит», а нижняя часть батареи помечена «Анодом».«Анод имеет отрицательный заряд. Энергия течет по прямоугольнику по часовой стрелке в катод, из анода и в лампочку. Поток энергии демонстрируется отрицательно заряженными электронами, проходящими через систему.

Батареи преобразуют химическую энергию в электрическую.

Существует много разных типов батарей, но все они имеют три основных компонента: положительный электрод (катод или «положительный полюс»), отрицательный электрод (анод или «отрицательный полюс») и электролит.

Когда положительная и отрицательная клеммы соединены так, что электроны (электричество) могут течь между ними (обычно по проводу), на электродах происходят химические реакции. Эти реакции высвобождают избыточные электроны на аноде, которые текут на катод.

Химические реакции происходят между электролитом и катодом, а также между электролитом и анодом. В разных типах батарей используются разные материалы для этих трех компонентов.

Одноразовые батареи (батареи, которые нельзя перезаряжать) работают до тех пор, пока не иссякнет химический состав электродов и электролитов.

В перезаряжаемой батарее можно подавать электричество для запуска процесса в обратном направлении , восстанавливая свойства материалов, так что реакции генерирования электричества снова повторяются. Автомобильные аккумуляторы являются примером аккумуляторных батарей.

Батареи с жидким электролитом называются «мокрые элементы». Свинцово-кислотные аккумуляторы (типичные автомобильные аккумуляторы) имеют влажные элементы. Аккумуляторы с твердым электролитом называются «сухими». Щелочные батареи, используемые в доме, являются примерами сухих элементов.

Батареи делают энергию портативной. Фактически, они хранят электроэнергию, которую можно доставить по запросу, когда и где это необходимо.

.